Результат интеллектуальной деятельности: Порошковая проволока для механизированной наплавки сталей

Изобретение относится к сварочным материалам, может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия деталей металлургического оборудования, работающих в условиях сжатия и абразивного износа при температурах 600°С, например, прокатных валков черновых и чистовых калибров, а также роликов подающих рольгангов.

Известен [1], состав порошковой проволоки, состоящий из малоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферромарганец, хром, ферровольфрам, феррованадий, ферробор, графит, кремнефтористый натрий и малоуглеродистую стальную оболочку при соотношении, вес.%:

Существенными недостатками данной порошковой проволоки являются:

- пониженные механические свойства наплавленного металла, в частности износостойкости и твердости, за счет нерационального соотношения введенных в порошковую проволоку компонентов;

- низкое качество наплавленного металла в связи с порообразованием, связанным с повышенным содержанием водорода;

- высокая стоимость сварочного процесса за счет использования дорогостоящих материалов в значительных количествах (вольфрама, и кремнефтористого натрия).

Известна, выбранная в качестве прототипа [2], порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферромолибден, феррованадий, железный порошок, и углеродфторсодержащую пыль фильтров алюминиевого производства при следующем соотношении, масс. %:

Существенными недостатками данного способа являются:

- пониженные значения твердости и износостойкости наплавленного слоя металла,

- повышенная отбраковка наплавленного слоя по порам и раковинам в связи с повышенной загрязненностью стали неметаллическими включениями.

Технические проблемы, решаемые заявляемым изобретением, заключаются в обеспечении требуемой твердости и скорости износа наплавляемого слоя, а так же повышением качества наплавляемого слоя (низкой отбраковкой при наплавке).

Для решения существующей технической проблемы в известную порошковую проволоку, состоящую из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферромолибден, феррованадий, углеродфторсодержащую пыль фильтров алюминиевого производства, железный порошок, дополнительно введен никель.

Технические результаты, получаемые в результате использования изобретения, заключаются:

- в повышении твердости и в увеличении износостойкости наплавленного слоя металла за счет введения никеля и снижения в связи с этим размеров зерна;

- в повышении качества наплавленного слоя металла (снижении отбраковки по порам и раковинам) за счет снижения уровня загрязненности неметаллическими включениями.

Для этого предлагается порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферромолибден, феррованадий, углеродфторсодержащую пыль фильтров алюминиевого производства, железный порошок, причем порошкообразная шихта дополнительно содержит никель при соотношении компонентов, масс. %:

Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем, исходя из получения требуемых твердости и износостойкости наплавленного слоя металла, а так же качества получаемого при наплавке металла, стабильности процесса наплавки, предотвращения образования пор и трещин. В состав порошкообразной шихты дополнительно введен никель, позволяющий снизить размер действительного зерна и тем самым повысить твердость и износостойкость наплавляемого металла. Причем введение никеля менее 0,01 практически не влияет на уменьшение размера зерна, а при увеличении концентрации никеля в порошковой проволоке более 0,40% значительно повышается себестоимость.

Углеродфторсодержащая пыль фильтров алюминиевого производства позволяет проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений разлагающихся при температурах сварочных процессов с выделением фтора, который в свою очередь взаимодействует с водородом, растворенным в стали с образованием газообразных соединений типа HF.

Снижение содержания водорода в наплавленном металле уменьшает вероятность образования пор и трещин в наплавленном металле. Изменение концентрации углеродфторсодержащей пыли фильтров алюминиевого производства связано с оптимизацией концентрации углерода в наплавляемом слое металла. При снижении концентрации ниже нижнего заявляемого предела концентрация углерода не обеспечивает необходимую твердость и износостойкость, а при превышении концентрации выше верхнего заявляемого предела возможно получение трещин при наплавке. Для изготовления шихты порошковой проволоки использовали углеродфторсодержащую пыль фильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, масс. %: Al₂O₃=19-46; F=17-26; Na₂O=2,8-14; K₂O=0,36-5,8%, СаО=0,6-1,8; SiO₂=0,5-2,7; Fe₂O₃=1,7-3,6; С_общ=22-31, MnO=0,05-1,2, MgO=0,06-0,87, S=0,09-0,34, Р=0,09-0,15.

При изготовлении порошковой проволоки использовали: порошки углеродистого ферромарганца ФМн 78(A) по ГОСТ 4755-91, ферросилиция марки ФС 75 по ГОСТ1415-93, высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ900А по ГОСТ 4757-91, ферромолибдена марки ФМо60 по ГОСТ 4759-91, феррованадия марки ФВ50У0,6 по ГОСТ 27130-94, железа марки ПЖВ1 по ГОСТ 9849-86, никеля марки ПНК-2К9 по ГОСТ 9722-97.

Порошки перемешивались в смесители для получения однородной массы и прокаливались для удаления влаги при температуре 250-350°С. Далее производилось изготовление порошковой проволоки на станке. Диаметр готовой проволоки после операций волочения составлял 3,6 мм, при коэффициенте заполнения 0,32-0,33. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась наплавка заготовок рабочих валков.

Наплавка производилась под флюсом, изготовленным из шлака производства силикомарганца, выплавленного в рудотермических печах углетермическим способом непрерывным процессом. Шихта состояла из марганцевой руды, кварцита и коксика. Выпуск ферросплава (силикомарганца) осуществляли вместе со шлаком в ковш. После разливки силикомарганца шлак из ковша сливался и подвергался охлаждению. В зависимости от интенсивности охлаждения получался стекловидный или пемзовидный шлак, используемый в дальнейшем при сварке. Далее шлак дробился. В опытах использовали фракцию 0,45-2,5 мм; при этом допускалось использование фракции 0-0,45 мм до 10%, 0,45-2,5 мм до 90%. Изготовление флюса проводилось согласно технических условий ООО «Регионстрой» ТУ 20.59.56.120-001-14796818-2020 «Флюс для наплавки марки НФП. Технические условия». Флюс содержал, масс. %: диоксид кремния 30-43, оксид алюминия > 5, оксид кальция 25-38, оксид магния > 1,5, оксид марганца > 16, оксид железа < 1,0, при этом флюс содержал серы < 0,60%, фосфора < 0,030%.

Наплавку проводили на следующих режимах: сварочный ток 350-430А, напряжение дуги 28-32 В, скорость наплавки 20-30 см/мин.

Наличие трещин в процессе наплавки оценивали визуально, после наплавки наличие трещин, пор и неметаллических включений оценивали ультразвуковым методом. Твердость наплавленного металла контролировалась непосредственно после наплавки. Твердость наплавленного металла после наплавки составляла HRC 44-48. Дефекты (трещины, поры и неметаллические включения) при наплавке порошковой проволокой с шихтой заявляемого состава содержащей никель не выявлены. После наплавки валки испытывались на испытательной машине на истираемость образцов.

Исследовались 5 вариантов составов шихты (таблица 1) порошковой проволоки с заграничными и заявляемыми пределами.

Влияние изменения состава шихты порошковой проволоки на технологические и механические характеристики наплавленного металла приведено в таблице 2. Использование заявляемого состава шихты порошковой проволоки по сравнению с базовым составом (прототип) позволяет:

1. Повысить твердость HRC 44-48 и увеличить износостойкость наплавленного слоя металла за счет введения в состав проволоки никеля

2. Повысить качество наплавленного металла за счет снижения его загрязненности неметаллическими включениями, снизить вероятность порообразования и предотвратить образование трещин.

Источники информации

1. А.с. СССР №543479, кл. B23K 35/368.

2. Пат. РФ 2518035 РФ, МПК8 B23K 35/368.